Động cơ tiết kiệm nhiên liệu nhờ giảm ma sát

Trong ba thập kỷ gần đầy, các hãng sản xuất xe hơi khai thác hầu hết các giải pháp công nghệ đơn giản, giá rẻ nhằm giảm ma sát, cải thiện mức tiêu thụ nhiên liệu và tăng công suất động cơ.

“Chúng tôi đã phải làm bóng mọi chi tiết có chuyển động tương đối bên trong động cơ”, Mike Anderson, kỹ sư đứng đầu và là giám đốc quản lý chương trình động cơ 4 xi-lanh của tập đoàn General Motor nói với tờ New York Time.
Động cơ đốt trong chứa nhiều liên kết có lực ma sát lớn. Bề mặt các phần tử chuyển động quay, hay tịnh tiến tiếp xúc trực tiếp với nhau hoặc qua lớp dầu mỏng. Ma sát lớn làm tổn hao công suất động cơ vì chúng sản sinh nhiệt tiêu tán vào trong không khí.

Công đoạn mạ Nanoslide trên động cơ V6 của Mercedes.

Hạn chế tổn thất là mục tiêu của tất cả các hãng xe. Chiếc Honda Odyssey được hưởng lợi từ việc điều chỉnh và cải tiến trên động cơ 3.5 V6. Mức tiêu thụ trên đường cao tốc đạt 8,4 lít cho 100 km, trong khi thế hệ trước ở mức 9,4 lít. Kết quả do nỗ lực giảm ma sát chiếm 4%, tuy nhỏ nhưng là một thành tích quan trọng.
Kỹ sư động lực lâu năm của Odyssey, ông Paul DeHart cho biết tổn thất lớn nhất nằm ở cụm pít-tông và xi-lanh. Pít-tông di chuyển khứ hồi trong lòng xi-lanh, xéc-măng (vòng găng) làm kín khe hở giữa chúng, ngăn không cho khí lọt xuống các-te và dầu bôi trơn vào buồng đốt. Phần váy pít-tông áp sát thành xi-lanh làm nhiệm vụ dẫn hướng.
Một vài công đoạn trong gia công được nghiên cứu nhằm hạn chế ma sát. Mercedes đã ứng dụng công nghệ mạ Nanoslide trên động cơ AMG V8 dung tích 6,3 lít vào năm 2006. Bề mặt xi-lanh được phun một lớp hợp kim carbon ion siêu mỏng có độ dày từ 0,1 đến 0,15 mm. Lớp mạ có độ nhẵn bóng, độ cứng cao, và có khả năng giữ dầu tốt. Hãng xe Đức đánh giá công nghệ Naoslide làm giảm 3% nhiên liệu tiêu thụ cho mẫu ML350 BlueTec trang bị động cơ V6.

Bề mặt trong xi-lanh đạt độ nhẵn cao sau khi mạ Nanoslide.

Các hãng khác cũng có những nghiên cứu tương tự nhằm tạo cho bề mặt xi-lanh nhẵn, chịu mài mòn. Honda sử dụng phương pháp doa bóng, trong khi Chryler đang phát triển công nghệ làm bóng bằng laser.
Những xi-lanh tốt nhất cần phải chống lại hiện tượng bị méo khi xiết chặt bu-lông trong quá trình lắp ráp hoặc giãn nở vì nhiệt. Bởi thế thiết kế thân động cơ là công việc đặc biệt quan trọng. Theo Anderson, nó được thực hiện trên mô mình máy tính, sau đó người ta mô phỏng các điều kiện có thể xảy ra làm xi-lanh bị méo.
Cũng với mục tiêu trên, Ford lại chọn cách đặt trục khuỷu lệch khỏi đường tâm xi-lanh. Trưởng nhóm hệ thống động cơ xăng của Ford, Stephen Russ giải thích biện pháp này sẽ làm giảm lực tác động từ váy pit-tông lên thành xi-lanh, làm nó trượt đi với ít cản hơn.
Bôi trơn bằng cách vung té làm cản trở các chi tiết quay, cả khi dầu tồn tại dưới dạng sương mù. Bởi thế, dầu sau khi bôi trơn ở trên đỉnh động cơ cũng được điều chỉnh rớt xuống các-te theo chiều quay của trục khuỷu, nhằm tránh tổn thất do va đập trên đường chúng hồi về.
Vì lớp dầu dày, đặc, tiêu tốn nhiều công suất động cơ, thế nên nhà sản xuất thường sử dụng dầu có độ nhớt thấp. Để duy trì dòng chảy liên tục của dầu, GM đã thiết kế hệ thống làm mát hai chế độ điều khiển bởi máy tính nhằm ổn định nhiệt độ động cơ 2.5 mới của hãng.
Ngày nay, việc khắc phục ma sát trên cơ cấu phân phối khí cũng được các hãng quan tâm. Bộ bi dẫn hướng cam dần trở thành chuẩn tắc, bởi chúng tạo ra ít lực cản. Nissan sử dụng công nghệ mạ carbon có dạng thù hình giống như kim cương cho vòng găng và con đội trục cam. Lớp mạ cứng và giữ dầu tốt hơn. Theo hãng xe này, nó làm giảm 25% ma sát trong động cơ.
Những giải pháp công nghệ đã đạt được thành công như thế nào? Rất khó để định lượng một cách chi tiết bởi các phần tử và hệ thống có mối tương quan không rõ ràng. Tuy nhiên, GM đã đưa ra những con số khá cụ thể về vấn đề này khi cho biết kết quả về mức tiêu thụ nhiên liệu của 3 mẫu động cơ 4 xi-lanh. Theo đó, động cơ dung tích 2,5 lít sản xuất năm 2007 cắt giảm được 40% tổn thất ma sát so với loại 2 lít sản xuất vào đầu những năm 1980 khi chạy ở tốc độ thấp, dù có nhiều van hơn, dẫn động trục cam phức tạp. Động cơ sẽ giảm 7% mức tiêu thụ nhiên liệu trong 24 năm chỉ bằng các giải pháp giảm ma sát. Động cơ 2,5 lít trang bị trên Chevroler Malibu 2013 sẽ hạn chế 16% ma sát và tăng hiệu quả sử dụng nhiên liệu lên 2% so với loại 2,4 lít.

vnexpress